深海溅落声传播特性及定位方法研究

It is an enormous challenge of locating a instantaneous target with high accuracy in deep water by its splash sound of entry. A set of problems such as splash sound properties, broadband propagational features and suitable signal processing method are to be researched, and how to estimate the splash sound characteristics in time, space and frequency domain and build a broadband model to describe its propagation in deep water becomes a key issue. In this project, we will develop the estimation method of splash sound based on scale theory by pool experiment and sea test, and creat a relationsips between acoustic parameters and the dimension, speed and incident angle of targets. A broadband model is to be presented to derive acostic arrival patterns and a modified algorithm for irregular arrival patterns should be constructed. Supporting by sea test, an applicative signal processing method that might result in clearer arrival patterns should be presented, and an optimized measurement array might be designed. These understandings of instantaneous acoustic signal detection by broadband method in deep water is prerequisite to engineering application, and might be conductive to new discoveries in the interdiscipline of oceanography and underwater acoustics.

针对利用高速运动目标在深海的溅落声对其进行高精度定位测量带来的新挑战，开展海上溅落声的声学特性、传播特性及相关信号处理方法等问题研究，重点解决大尺寸、高速目标溅落声的时域-空域-频域特征估计以及宽带声信号在深海近程声信道中的建模问题。结合水池实验和实测数据，发展基于相似理论的海上溅落声估计方法，建立其时域-空域-频域特征参数与目标尺寸、速度、入射角等要素的相关关系；基于高斯束射线方法探索宽带声信号在深海声信道中的折射、偏移、畸变和衰减规律，发展高精度声到达结构估计方法，并提出非均匀环境场的三维本征声线修正算法；结合海上实验对理论模型进行验证，并提出基于宽带瞬态信号的声相关信号处理和测量阵设计方法。这些问题的研究有助于促进海洋学与水声学交叉研究，提高对宽带瞬态声目标的深海定位能力，为其工程应用提供理论支撑。

针对在深海场景下利用物体溅落声特性及传播规律对其进行定位面临的覆盖区域大、声路径弯曲、海水环境显著变化、测量布站条件受限等难题，开展海上溅落声信号时域-空域-频域信号特征估计、深海声传播条件下时差定位建模与仿真、多途声到达结构修正算法、全区域精度估计方法等方面研究。.取得的代表性成果主要有：1）建立了一种分层介质条件下的时差定位模型，并开展了典型深海场景下利用目标溅落声特征定位的时差交会变异性机理分析；2）提出了一种评估海水环境变化对定位性能影响的仿真分析方法，实现了深海声传播条件下到达能量和到达结构的环境效应模拟及交会解算修正；3）提出了一种海上多基站条件下的目标溅落声源全区域精度估计方法，并通过多组测量阵优化设计算例验证了时差交会定位、方位交会定位体制下整体精度性能和覆盖特性对测量布站几何变化响应的正确性、合理性。.研究的科学意义在于，揭示了典型深海声信道中非均匀等效声速条件下的时差交会变异性特征，同时发现不同海区、不同季节的海水环境变化可以改变到达声信息、误差传播、交会求解等测量因素，进而对半会聚区尺度水面声定位性能产生明显影响。与以往的研究相比，提出的方法从复杂系统的角度将定位求解、精度分析与布站优化集成考虑，满足深海条件下布站几何对精度空间分布和覆盖特性影响的分析、评估需求，进而可为测量系统的设计、运用提供理论工具。.项目形成的模型、算法及仿真模拟方法已在本单位十三五期间某型测量系统论证中采用，为测量体制选取、布站设计和精度指标测算提供了理论依据，该方案经过多次评审已获得立项批复。在该测量系统建设及后续使用阶段，项目提出的相关方法在海上测站的部署与优化、工程测量实施、测量结果分析以及测量效果评价等方面也有潜在应用价值。